Chương 5: DETECTER GHI NHẬN BỨC XẠ docx

Điện thế ngoài có thể được dùng để đếm số xungtrong một thời gian cho trước của hệ thống đếm, để chọn lọc biên độ xung trongphổ năng lượng bức xạ hoặc để cung cấp như một tín hiệu hồi ti

CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ

Hạt nhân phóng xạ được xác định về mặt định tính và định lượng bằng cáchdựa trên sự tương tác bức xạ phát ra với vật chất dùng bởi detector bức xạ Một hệthống đo hoạt độ phóng xạ thông thường bao gồm 2 phần: detector bức xạ và thiết

bị xử lý tín hiệu và chỉ thị kết quả đo

Một số cơ chế tương tác bức xạ được mô tả trong phần (4.3) Trong phần nàychỉ có 2 loại đó là kích thích và ion hóa nó được sử dụng rộng rãi như thành phần

cơ bản của detector Hai quá trình này là phương pháp sơ cấp nhờ những hạt tíchđiện mất năng lượng trong vật chất Những hạt không tích điện, như tia gammađược phát hiện nhờ sự tương tác ion của các hạt tích điện thứ cấp, những thông tin

đó đã được mô tả trong phần 4.3.3

Quá trình thứ ba, sự phân ly phân tử liên quan trong hóa học và phương phápchụp ảnh của sự phát bức xạ Quá trình này, thông thường không được dùng choviệc đo số lượng của hạt nhân phóng xạ, mặc dầu quan trọng trong nhiều khía cạnhcủa việc sử dụng và duy trì bức xạ

Phần hai của bất cứ hệ thống đo bức xạ nào đều là thiết bị điện biến đổi tínhiệu từ detector sang một dạng dữ liệu phù hợp Đối với detector dựa vào sự ion hóacủa chất khí hoăc chất bán dẫn, tín hiệu gồm một điện tích Đối với các detectornhấp nháy, tín hiệu là một lượng tử phát sáng (cái có thể được biến đổi thành điệntích) Các thiết bị điện liên kết khuếch đại điện tích vào trong dòng hoặc điện thếngoài được đo một cách dễ dàng Điện thế ngoài có thể được dùng để đếm số xungtrong một thời gian cho trước của hệ thống đếm, để chọn lọc biên độ xung trongphổ năng lượng bức xạ hoặc để cung cấp như một tín hiệu hồi tiếp trong quá trình

hệ thống điều khiển

Chương này trình bày sai số ngẫu nhiên trong sự đo lường bức xạ, mà cũngliên quan đến quá trình thống kê trong sự chuyển giao và khuếch đại năng lượng

bức xạ trong bất kỳ hệ thống ghi nhận nào và liên quan đến quá trình thống kê phân

rã hoạt độ phóng xạ

5.1 CÁC NGUYÊN TẮC GHI NHẬN

Hiện nay, có hai phương pháp ghi nhận bức xạ chính sử dụng các detector, đó

là dựa vào sự ion hóa của chất khí (detector tỉ lệ và G-M), các tinh thể được kíchthích do sự phát quang (detector nhấp nháy) hoặc sự ion hóa của vật rắn (detectorbán dẫn) Nguyên tắc của sự ion hóa trong chất bán dẫn thì tương tự như trong chấtkhí, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờ các electron và proton trong tinh thểthay vào đó là các electron và các ion dương trong nguyên tử khí Các chất bán dẫnngày càng được sử dụng rộng rãi nhất trong detector ghi nhận bức xạ khi công nghệngày càng phát triển

Các hệ thống đo hoạt độ phóng xạ dạng xung, mà đầu ra của detector đượcxem như một chuỗi tín hiệu điện độc lập trong thời gian ấn định Mỗi tín hiệu đặctrưng cho sự tương tác của một đơn vị bức xạ với detector Hệ thống không tín hiệuthì thông thường được sử dụng trong những thiết bị đo bức xạ loại khảo sát vàkhông được sử dụng rộng rãi cho việc đo hạt nhân phóng xạ, được xem như một hệthống phát hiện ở mức trung bình

Các phương pháp đo hoạt độ phóng xạ hiện đại không chỉ xác định số bức xạghi nhận được trên đơn vị thời gian (tốc độ đếm) nhưng ngoài ra chúng còn chophép tách các bức xạ theo loại và năng lượng ở những mức độ khác nhau Các hệthống với sự phân giải năng lượng được gọi là phổ kế và có thể dùng đo bức xạ tiaalpha, beta và gamma, phổ kế tia gamma thì sử dụng đặc biệt cho sự phân tích hạtnhân phóng xạ Trong phổ kế tia gamma, sự khuếch đại của mỗi tín hiệu điện thìtương ứng với năng lượng tia gamma còn lại trong detector Thiết bị phân loại (kỹthuật phân tích biên độ xung) có thể tách các loại xung nhờ biên độ và tần số

Kỹ thuật phân tích biên độ xung đa kênh, hoạt động trong sự liên kết với thiết

bị biến đổi số tương tự (ADC), một thiết bị lưu trữ phù hợp (bộ nhớ) và sự cung cấpthiết bị dữ liệu thông thường được sử dụng để phân tích hỗn hợp phức tạp của hạt

nhân phóng xạ phát tia gamma mà không cần sự phân tích hóa học của hỗn hợpnguyên tố Khi được yêu cầu phân tích nhiều loại nguyên tố cùng lúc, thông tintrong bộ nhớ được máy tính xử lý dữ liệu một cách hoàn chỉnh Sự ghi nhận đặctính điện của các bức xạ đặc biệt từ nhiều hạt nhân phóng xạ riêng biệt cũng có thểđược thực hiện nhờ sử dụng phép đo trùng hợp ngẫu nhiên Đối với một sự kiệnđược thu nhận khi một hạt nhân phóng xạ riêng biệt phân rã Sự ảnh hưởng của haibức xạ liên tiếp và đồng thời phải được khảo sát trong một thời gian xác định trước.Thông thường hai ghi nhận có thể là một tia beta và tia gamma theo sau như trong2.3-m 28 Al, hai tia gamma liên tiếp như trong 60Co hoặc hai photon phân rã xảy ratrong bất kỳ sự phát positron nào Vì vậy, hạt nhân phóng xạ phù hợp nhất cho sự

đo lường bằng phương pháp ngẫu nhiên thì thông thường cũng được sử dụng cho sựphân rã hóa học phức tạp hơn Hệ thống này được bàn luận trong chương 6

5.2 DETECTOR CHỨA KHÍ

Detector ghi nhận bức xạ chứa khí là một trong những loại cũ nhất củadetector ghi nhận bức xạ có thể sử dụng được và vẫn được sử dụng một cách rộngrãi Các loại detector bao gồm buồng ion hóa, buồng tỉ lệ, ống G-M Các loạidetector này có đặc điểm chung là một buồng chứa khí với điện cực ở giữa, cáchnhiệt với thành buồng Một điện thế cung cấp cho điện cực ở giữa tạo ra một trườngtĩnh điện ngang qua buồng Do đó, các cặp ion là kết quả từ sự bức xạ ion hóa đượcgia tốc hướng về các điện cực Sơ đồ hệ thống của cửa sổ cuối đặc trưng chodetector G-M và ống tỉ lệ được trình bày trong hình 5.1

Sự tập trung các ion đã gây ra sự ion hóa các nguyên tử khí trong buồng tạo ramột tín hiệu điện Tín hiệu này có thể gồm các electron tự do hoặc các cặp ion, đó làcác electron và các ion dương Trạng thái của các electron tự do và các ion dươngphụ thuộc vào tính chất của khí trong buồng và điện thế cung cấp Vì thậm chí sựdịch chuyển ion trong chất khí tương đối chậm so với sự dịch chuyển các electron,các detector thu nhận tín hiệu ion để cho sự tập trung nhanh của các electron

Điều đó được ghi chú trong phần 4.3.2, rằng độ hụt trung bình theo năng lượng củamột hạt tích điện trong sự ion hóa nguyên tử khí khoảng 34 eV/ip Vì vậy, nếu tổngnăng lượng của một hạt beta được dùng cho sự ion hóa kích thích trong detectorchứa khí thì số hạt electron tạo ra sẽ là:

Nếu tổng các hạt electron này được tích tụ tại điện cực ở giữa thì điện tích sẽlà:

Q = en = 1.6 10-19n (C)Nếu N(hạt/giây) được dừng lại hoàn toàn trong detector dẫn đến cường độdòng sẽ là:

I = QN = 1.6.10-19nN (A)

Ví dụ, một nguồn beta có N=100 (hạt/giây) đi vào detecter với năng lượngtrung bình là 1 MeV Sẽ tạo ra một cường độ dòng là

( ) 34

E ev

n = β

Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống của các Detector ion hóa khí: (a) Buồng tỉ lệ dòng

khí (b) Ống G-M cửa sổ cuối [From Bernard G Harvey, Introduction to

Nuclear Physic and Chemistry, 2nd Ed (Prentice-Hall Inc, Englwood Cliffs,

N J, 1969) By permission of the publisher]

I = 1,6.10-19.106/34.102 = 4,7.10-13 A.

Như vậy, cường độ dòng dễ dàng được đo nhờ một thiết bị đo điện Thiết bị đođiện gồm nhiều loại có thể đo cường độ dòng trong phạm vi từ 10-8 đến 10-14 (A) và

là những thiết bị đọc thông thường cho buồng ion hóa loại dòng trung bình

Giả sử, số hạt electron đã tập trung trong buồng ion hóa thì tương ứng với sốhạt như thế đã dừng trong buồng trên một đơn vị thời gian Tuy nhiên, số hạtelectron tồn tại đã tập trung nhiều với điện thế cung cấp cho buồng Tại điện thếthấp sự tích điện tại điện cực đối lập với sự mất dần của các cặp ion bằng sự kếthợp, biến thành nguyên tử trung hòa Tại điện thế cao, sự ion hóa sơ cấp cácelectron tự do là nguyên nhân để bức xạ đạt động năng đủ trong suốt quá trình giatốc chúng hướng tới điện cực làm phát sinh những hạt electron thứ cấp (cái thêmvào để tích điện) quá trình này được gọi là khuếch đại khí

Mối quan hệ giữa số hạt electron đã tập trung trên sự kiện hoặc biên độ xung

và điện thế cung cấp trong một buồng đặc trưng hình trụ được mô tả trong hình 5.2cho hạt alpha và hạt beta Giới hạn điện thế thích hợp được chia thành 5 miền Haimiền đầu thiết lập phạm vi của sự ion hóa sơ cấp hoặc ion hóa đơn Trái lại, miềncuối thứ 3 bao phủ vùng khuếch đại khí mà các electron thứ cấp thêm vào điện tíchtập trung

Hình 5.2: Kích thước tương đối của biên độ xung trong buồng ion hóa như một

hàm đặc trưng của điện áp cung cấp cho hạt alpha và beta

Trong miền tái hợp, vận tốc trung bình của các ion đã gia tốc hướng về điệncực tăng lên cùng với điện thế, thời gian sử dụng cho sự tái hợp giảm và hiệu suấtcủa điện tích tăng Do vậy, chiều cao tín hiệu đi ra tăng với điện thế cung cấp.

Trong miền bão hòa, sự tái hợp yếu hơn trở nên không đáng kể vì thời giancần thiết cho sự tập trung của tất cả các ion trong buồng trở nên rất ngắn Điện tíchtập trung được xác định bởi (2) và độ cao xung tỉ lệ với năng lượng bức xạ đã sửdụng trong buồng Vì sự còn lại của năng lượng đàn hồi cùng số cặp ion được tích

tụ Do vậy, độ cao tín hiệu không phụ thuộc vào điện thế cung cấp Ngoài ra, miềnnày được gọi là miền buồng ion hóa, do tại điện thế này, dòng bão hòa tương ứngvới năng lượng trung bình còn lại trong buồng ion hóa Buồng ion hóa hoạt độngnhư một hệ thống detector ghi nhận bức xạ mức trung bình Cũng thế, do quãngđường hạt alpha tương đối ngắn, thậm chí trong chất khí buồng ion hóa có thể được

sử dụng kết hợp với một kỹ thuật phân tích độ cao xung như phổ kế hạt alpha Điều

đó cũng không liên quan đến sự đo lường của những hạt nhân phóng xạ vì thếbuồng ion hóa thường không được sử dụng trong kỹ thuật phân tích kích hoạt.Hai miền đầu này được trình bày trong hình 5.2 là các miền ion hóa đơn giản.Khi điện thế cung cấp một trường vượt quá mức trong khoảng 200V/cm, điện tíchtích tụ được tăng lên nhờ quá trình khuếch đại khí, trong đó, các electron gia tốc đạtđộng năng phù hợp để tạo ra sự ion hóa nhờ va chạm Hệ số nhân trong miền tỉ lệtăng nhanh với điện thế cung cấp tăng Do đó, nó không phụ thuộc vào sự ion hóaban đầu, kích thước xung vẫn tương ứng với cường độ còn lại ban đầu Tuy nhiên,khi điện thế tiếp tục được tăng sang miền giới hạn tỉ lệ, mật độ của điện tích thứ cấplàm cản trở quá trình khuếch đại Sự khác nhau trong độ cao tín hiệu ra không còn tỉ

lệ với sự ion hóa ban đầu nữa Mối quan hệ giữa độ cao xung và năng lượng bị khửchậm

Trong miền G-M, detector tạo ra một xung liên tục vì độ lớn của điện tích tích

tụ trở nên độc lập với sự ion hóa sơ cấp Một hạt anpha và một hạt beta phát ra cùngmột kích thước xung cuối, bất chấp số ion hóa sơ cấp đã tạo ra trong ống G-M Vìvậy, ống G-M không hiệu quả cho kỹ thuật phân tích biên độ xung nhưng bởi vì nó

tương đối đơn giản và tín hiệu ra với biên độ lớn, nó vẫn là một detector có ích cho

kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố hóa học riêng lẻ

Khi điện thế qua một detector chứa khí được tăng lên đều, buồng hoạt độngnhư một ống tiếp tục phóng điện có thể sử dụng cho sự ghi nhận bức xạ Sự hoạtđộng kéo dài của buồng chứa khí trong miền phóng điện có thể nguy hiểm, ảnhhưởng đến tính hiệu quả của buồng như một thiết bị ghi nhận bức xạ

5.2.a Buồng Tỉ Lệ:

Buồng tỉ lệ đã trở thành loại thông dụng nhất của detector cho việc đo hoạt độphóng xạ beta trong mẫu chất rắn hoặc khí Buồng tỉ lệ kết hợp ưu thế của buồngion hóa trong sự duy trì tỉ lệ giữa tín hiệu ra và sự ion hóa sơ cấp và ống G-M trong

sự đạt được một xung đủ mạnh khuếch đại khi cho mỗi sự kiện đã tìm ra Nhiều ốngđếm tỉ lệ thương mại có thể dùng được Chúng thông thường chứa một ống detectordạng hình chuông, đã mô tả trong hình 5.1a, thông qua một máy đếm dòng khí.Thông thường khí được coi là hỗn hợp của 10% methane và 90% Argon Hỗn hợpkhí đặc biệt này được xem như một sự trung hòa tốt giữa khí Argon tinh khiết vàkhí Mathane tinh khiết Khí Argon tinh khiết không thích hợp với hệ đếm khí vì sựtồn tại của một trạng thái kích thích lâu dài của các ion mà nó gây ra xung sau vànồng độ cao hơn của Methane yêu cầu sự hoạt động ở điện thế lên tới 4000V Tất cảnhững điều trên được trình bày trong hình 5.2 Những khí khác đều tốt nhưng đắthơn Các mẫu đếm thông thường được đặt trong một vài dạng hình đĩa hoặc mảnhkim loại tròn và được đặt dưới cửa mỏng của ống đếm Các detector có thể dùngđược với độ dày cửa phía cuối mỏng bằng 80 µg/cm2 Như thế những cửa siêumỏng (theo hình 4.6) cho phép hạt beta năng lượng xấp xỉ 0.1 MeV đi vào với một

sự giảm cường độ chỉ 50% vì sự phát hạt beta năng lượng rất thấp như 14C (Eβmax =0.156 MeV) và 3H (Eβ max = 0.018MeV) Buồng tỉ lệ không cửa (ví dụ mẫu được đặttrực tiếp trong buồng đếm) có thể được sử dụng Nhiều vấn đề liên quan tới cửa sổcuối của các mẫu đếm chất rắn trong mảnh kim loại tròn được ôn lại trong phần6.32 Ống đếm tỉ lệ được sử dụng cho việc đo hoạt độ phóng xạ của các mức rất

thấp Điều đó đã tìm trong các mẫu môi trường hoặc trong các mẫu hoạt độ phóng

mà xảy ra độc lập với detector chính được đếm

Hình 5.3:Đường cong plateau cho hạt alpha và hạt beta trong

ống đếm tỉ lệ dòng khí

Điện thế cung cấp(V)

Một ưu thế thêm của buồng tỉ lệ là nó có khả năng đo các bức xạ anpha và betamột cách độc lập, thậm chí, khi các bức xạ đến từ cùng mẫu Khả năng này là kếtquả từ sự khác nhau trong sự ion hóa đặc biệt của hạt anpha và beta, như trình bàytrong hình 5.2 Trong miền tỉ lệ, kích thước xung phụ thuộc đáng kể vào điện thếcung cấp, nhờ sự phân biệt kích thước xung, tốc độ đếm của một loại bức xạ đã cho

có thể được tạo ra không phụ thuộc điện thế cung cấp trên vùng điện thế nhỏ (∼300V) Vùng điện thế này được gọi là vùng plateau của detector (xảy ra ở khoảng1000V cho bức xạ anpha và khoảng 2000V cho bức xạ beta) Điện thế hoạt độngcủa máy đếm được đặt tại một giá trị thích hợp trong vùng này Với việc điều chỉnhđiện thế, tốc độ đếm của một mẫu có tính phóng xạ được tạo ra không phụ thuộc sựthay đổi nhỏ trong đường hiệu điện thế Một đường cong plateau đặc trưng cho mộtống đếm tỉ lệ loại dòng được nhìn thấy trong hình 5.3 Để đếm bức xạ hạt anpha,máy đếm này sẽ được hoạt động tại một điện thế khoảng 1000V Tổng số đếm tại1600V gồm có sự đóng góp từ cả bức xạ anpha và beta Để đạt được tốc độ đếm củahoạt độ riêng của beta, tốc độ đếm của bức xạ anpha (được xác định nhờ sự mởrộng miền plateau anpha tới 1600V với việc sử dụng sự phát hạt anpha) sẽ được trừ

200-từ tổng số đếm

5.2.b Ống Đếm G-M

Ống G-M được sử dụng nhiều nhờ sự đơn giản của detector ghi nhận bức xạ.Một số sự điều chỉnh hệ thống đếm cần thiết cho sự hoạt động ổn định của detector.Tuy nhiên, ống G-M đã dần dần được thay thế bởi các loại detector khác vì giới hạnbên trong của nó thường quá tải, lợi thế của sự đơn giản trong quá trình hoạt động,đặc biệt cho sự ứng dụng kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ Ấy thế mà, các ốngđếm G-M tiếp tục tồn tại trong nhiều phòng thí nghiệm và cho dù sự hiệu chỉnh máyđếm đã cần thiết đối với chúng, sẽ tiếp tục cung cấp những phép đo chính xác chonhiều thiết bị đo hoạt độ phóng xạ, đặc biệt khi phân ly hóa học là một phần của quátrình

Lợi thế của ống G-M là nó có độ nhạy cao, nó có thể phản hồi với nhiều loạibức xạ, đa dạng cả về kích thước lẫn hình dạng, tín hiệu của đầu ra lớn, và chi phí

thấp về lĩnh vực điện từ học Mẫu phổ biến nhất được sử dụng trong các phòng thínghiệm kích hoạt phóng xạ và hóa học phóng xạ là ống G-M cửa sổ cuối với tínhkinh tế sử dụng một cái giá để giữ những mẫu với những khoảng cách cố định vớicửa sổ, trình bày trong hình 5.1b Chúng thường được đặt ở trong một lõi chì hoặclõi thép với một cửa để đưa mẫu vào sắp xếp trong một cái giá Hệ thống điện gồm

có một nguồn điện áp cao, một bộ tách sóng, một bộ phận đếm và một đồng hồ đothời gian Toàn bộ hệ thống này được gọi là ống đếm G-M

Đặc trưng tốc độ đếm của ống đếm G-M đơn giản hơn so với đặc trưng nàycủa ống đếm tỷ lệ, vì xung của ống G-M về bản chất là độc lập với sự ion hóa sơcấp là tác nhân gây ra các xung Miền plateau của một ống G-M tốt là khoảng 300V

và sự tăng tốc độ đếm với điện áp được cung cấp thường tăng ít hơn 3%/100V.Một trong những đặc trưng giới hạn tổng quát của ống đếm G-M là thời giankhôi phục tương đối dài phụ thuộc vào máy đếm để phân biệt được khoảng thờigian giữa hai lần phóng điện liên tiếp bên trong ống Thời gian “chết” này (khoảng250.10-6 giây so với khoảng 0,5.10-6 giây cho một máy đếm tỉ lệ) dẫn đến sự chồngchéo đáng kể các sự kiện ion hóa (sự trùng hợp ngẫu nhiên) nó lần lượt dẫn đến sựgiảm tốc độ đếm đáng kể đối với những mẫu phóng xạ mạnh hơn Ảnh hưởng nàytrở nên quan trọng hơn khi tốc độ đếm vượt quá 104 cpm Sự hiệu chỉnh để giảm

“thời gian chết” có thể được quyết định từ thời gian phân giải τ Nếu n là tốc độđếm thực với τ = 0 và m là tốc độ đếm quan sát được, khi đó:

Ví dụ, cho một ống đếm có thời gian phân giải của nó là 250.10-6 giây mộtmẫu với tốc độ đếm thu được m = 525 cps sẽ có một tốc độ đếm thực

Tốc độ đếm thu được thấp hơn 13% Trong ống đếm tỉ lệ, độ hụt tương ứng sẽnhỏ hơn 0.03% Ống đếm G-M có điểm chung với ống đếm tỉ lệ cần để xác địnhtoàn bộ hiệu suất cho mẫu đếm dưới ống đếm cửa số cuối để thay đổi tốc độ đếm đo

1

m n

được thành tốc độ phân hủy tuyệt đối cho nuclit phóng xạ Toàn bộ hiệu suất của hệthống detector cửa sổ cuối phụ thuộc vào nhiều nhân tố trong đó bao gồm detector,một vài linh kiện máy đếm và chính nguồn của nó.

5.3 DETECTOR NHẤP NHÁY

Điểm chú ý của Detector nhấp nháy là nó đóng góp một phần quan trọng trong

sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, nó cũng là một trong những loạiDetector cũ nhất được dùng trong đo lường bức xạ Kính nhấp nháy được phát triểnnăm 1908, là dựa trên sự phát huỳnh quang khi hạt alpha tác động vào một màngmỏng tinh thể kẽm sunfua Sự tương tác được quan sát với một kính hiển vi trongmột phòng tối bằng “máy đếm nhân tạo” tốc độ đếm của máy này bị giới hạn,khoảng 60 nhấp nháy trên một phút Sự phát triển của máy đếm điện tử hoặc nhữngmáy đếm gộp trong những năm 1930 đã làm cho máy đếm bằng hình ảnh lỗi thời.Ống nhân quang xuất hiện trong những năm 1940 khởi đầu cho máy đếm nhấp nháyhiện đại Detector nhấp nháy đã trở nên quan trọng cho việc đo phổ tia gamma, đặcbiệt trong phân tích kích hoạt phóng xạ, với việc phát hiện ra những tinh thể với mật

độ cao đặc trưng nhạy với bức xạ Gamma và sự phát triển đồng thời các thiết bị đođiện tử, các thiết bị này nó có thể tách và chọn xung điện bằng biên độ (chiều caoxung)

5.3.a Nguyên Tắc Ghi Nhận Nhấp Nháy

Detector nhấp nháy phụ thuộc vào đặc tính của những tinh thể rắn, nó có thểtiêu hao năng lượng bởi sự ion hóa và sự kích thích dưới dạng phát quang Sự phát

xạ của ánh sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại nói chung là dưới dạng huỳnh quang(với thời gian sống khoảng 10-8 giây) hoặc hiện tượng lân quang (có bước sóng dàihơn với thời gian sống khoảng 10-4 giây) Tinh thể nhấp nháy có thể bao gồm nhữnghợp chất hữu cơ hoặc vô cơ Sự phát sáng của hợp chất hữu cơ (ví dụ như antraxen)

là một đặc tính cố hữu của phân tử hữu cơ, trong khi hợp chất vô cơ, sự phát sáng làmột đặc tính của trạng thái kết tinh Vì hầu hết các detector nhấp nháy được dùngcho quang phổ bức xạ được làm bằng tinh thể vô cơ, sự tìm hiểu của chúng ta bịgiới hạn trong những tinh thể như vậy Lý thuyết dải bước sóng trong giới hạn nhất

định của chất rắn được phát biểu năm 1928 được áp dụng cho tính dẫn điện của kimloại, chất bán dẫn và chất cách điện kết tinh Sự phân loại này nói chung được tạobởi sự khác biệt về điện trở suất các giá trị gần đúng được cho trong bảng 5.1.

tử bị cấm” Một sơ đồ biểu diễn sự phân loại vùng năng lượng điện tử trong mộtchất cách điện tinh thể ion được trình bày trong hình 5.4 Ở trạng thái cơ bản củatinh thể, vùng hóa trị bị lấp đầy hoàn toàn bởi các electron, trong khi đó vùng dẫnđiện thì trống Sự phân chia lượng tử về mặt năng lượng giữa hai vùng được gọi làvùng năng lượng trống EG và về mặt lý thuyết, nó là năng lượng tối thiểu cần cho sựion hóa của một electron từ vùng hóa trị tới vùng dẫn điện Trong tinh thể của vậtliệu cách điện thì khoảng cách năng lượng là khá lớn nghĩa là số electron trongvùng dẫn điện ở nhiệt độ phòng là không đáng kể Sự di chuyển của một electron từvùng hóa trị đến vùng bán dẫn tạo ra một “lỗ trống” trong vùng hóa trị và tạo ra cặpelectron-lỗ trống Khi electron và lỗ trống không còn liên kết với nguyên tử, cả hai

có thể di chuyển tự do qua mạng tinh thể và tạo nên tính dẫn điện trong tinh thể

Hình 5.4 Vùng năng lượng điện tử trong ion tinh thể cách điện

Một electron cũng có thể bị kích thích xuống một trạng thái năng lượng thấphơn so với vùng dẫn trong đó nó vẫn còn liên kết tĩnh điện với lỗ trống trong vùnghóa trị quá trình này của sự kích thích dẫn đến một cặp electron-lỗ trống (sự kíchthích) nó không có điện tích thực nhưng vẫn có thể di chuyển thông quang mạngtinh thể Hình 5.4 cho ta thấy một vùng năng lượng kích thích riêng biệt với một giátrị cực đại ở dưới đáy của vùng dẫn điện và một vùng tối thiểu phù hợp với sự kíchthích ở trạng thái cơ bản bức xạ bị hấp thụ bởi một tinh thể cách điện có thể tạo ra

cả sự ion hóa và kích thích Sự tái tổ hợp của electron từ vùng dẫn điện với lỗ trốngtrong vùng hóa trị có thể dẫn đến sự kích thích nữa

Sự xuất hiện hàng rào lỗ trống và những tạp chất (chất kích hoạt) trong tinh thểion tạo ra mức năng lượng địa phương (trung tâm và bẫy) trong vùng bị cấm củabiểu đồ vùng năng lượng, bên dưới vùng dẫn Một ion kích hoạt có thể tồn tại trong

cả hai trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, chứng tỏ bằng G- và E= trong hình5.4 Sự hủy của một kích thích có thể xảy ra 3 trường hợp:

1 Sự phát sáng, một sự chuyển về trạng thái cơ bản nhờ sự phát sáng

2 Sự dập tắt, một sự chuyển về trạng thái cơ bản bằng việc tiêu hao bức xạnhiệt của năng lượng kích thích

3 Bẫy, một dịch chuyển về vùng dẫn bằng việc thu nhiệt lượng hoặc về trạngthái cơ bản bằng việc tiêu hao bức xạ nhiệt.

Điều kiện cho sự phát sáng của một mẫu được xác định bởi thế năng của trạngthái cơ bản và kích thích của phân tử như một chức năng của một số cấu hình khônggian tọa độ r, như hình 5.5 Một mẫu tạp chất có thể đạt tới trạng thái kích thíchbằng việc hấp thụ bức xạ (hoặc bởi việc hấp thụ một năng lượng ε) Quá trình hấpthụ chứng tỏ là có sự dịch chuyển A→B, nó tuân theo nguyên tắc Franck-Condonxảy ra trong một thời gian ngắn so với sự dịch chuyển của nguyên tử Trạng tháikích thích này nhằm tìm ra thế năng cực tiểu để có thể di chuyển về vị trí C bằngviệc tiêu hao nhiệt của năng lượng dư Photon phát quang được phát ra khi có sựdịch chuyển C→D, sau đó mẫu quay về năng lượng tối thiểu trong trạng thái cơbản bằng việc tiêu hao nhiệt của năng lượng dư Phổ phát quang là một dải chứkhông phải là một đường rõ nét vì nhiệt dao động quanh thế năng tối thiểu ở mức C

Hình 5.5 Sơ đồ mức năng lượng của một tâm kích hoạt của nhiều

trạng thái kích thích

Sự kích thích dọc theo một đường C→ →E A trong đó năng lượngC→E đượccung cấp bằng sự kích thích nhiệt Trong trường hợp này, sự dập tắt bên trongkhông xảy ra bức xạ Khả năng có thể xảy ra K i phụ thuộc vào nhiệt độ và nănglượng hoạt hóa E= ∆E C( →A) bằng

và hiệu suất lượng tử phát quang q0 có thể định nghĩa như sau

trong đó: kf là khả năng có thể xảy ra cho sự phát xạ

ki là khả năng có thể xảy ra cho cạnh tranh bên trong của sự dập tắt

k là hằng số Boltzmann; a và b là hằng số

Sự phát quang bằng một tinh thể nhấp nháy kèm theo sự kích thích bằng việchấp thụ bức xạ nói chung là phân rã theo thời gian:

ở đó τ là thời gian phân rã

Tinh thể vô cơ có những tính nhấp nháy được gọi là phốt-pho, một trong số đóxuất hiện tinh thể tinh khiết (như kim cương, hợp chất halogen và muối uranyl).Một số khác thì tự kích hoạt; đó là sự xử lý nhiệt tạo nên sự quá mức của một trongnhững ion trong vị trí khe trong mạng tinh thể cái hoạt động như chất kích hoạt phátsáng Tinh thể như thế bao gồm ZnS với Zn dư, CdS với Cd dư và ZnO với Zn dư.Hầu hết tinh thể nhấp nháy được dùng cho việc dò tìm bức xạ được hoạt hóa

và nói chung hợp chất halogen hoạt động bằng những kim loại nặng như thallium,europi, và chì Mặc dù việc ghi nhận bức xạ bằng tinh thể nhấp nháy đã trở thànhphương pháp đo lường chủ yếu cho bức xạ gamma, phương pháp ghi nhận bức xạbằng tinh thể nhấp nháy cũng hữu ích cho việc đếm hạt alpha (sử dụng các chât

/

E kT i

K = ae−

1 1

f

E kT

f i

k q

/0

t

I = I e− τ

nhấp nháy đầu tiên như ZnS) hoặc hạt bê-ta (đặc biệt là thiếu sự trùng khớp bức xạgamma) bằng chất lỏng hay bằng những hợp chất hữu cơ bằng nhựa mỏng Phươngpháp khí nhấp nháy đã từng được phát triển cho việc đếm những hạt mang điệnnặng Khí hiếm như Xe và Kr thì thông thường được dùng như khí nhấp nháynhưng máy dò này cho đến nay chưa tỏ ra hữu ích cho sự đo lường các hạt nhânphóng xạ.

Chức năng cơ bản của detector nhấp nháy hợp chất vô cơ (bao gồm một tinhthể nhấp nháy về phương diện quang học ghép đôi với một ống nhân quang) trìnhbày ở hình 5.6 Hoạt động của hệ đo có thể được xem xét đên năm giai đoạn:

1 Sự hấp thụ năng lượng tia gamma của chất phát sáng

2 Sự chuyển đổi của năng lượng hấp thụ thành các photon của sự phát sáng

3 Sự di chuyển các photon trực tiếp và phản xạ tới quang catot của ống nhânquang

4 Sự phát ra của một vài quang electron được gia tốc tới diode đầu tiên

5 Nhân electron tạo ra một xung có thể đo được tại cực dương của ống nhânquang

Năng lượng của photon đặt trong tinh thể được biến đổi thành photon ánh sángvới bước sóng đặc biệt Những photon này bị phản xạ từ các vách của bình chứatinh thể, nói chung được làm bằng Al2O3 hoặc MgO, cho đến khi chúng đi qua vậtnối quang học và đánh bật quang catot, lúc đó nó sẽ tạo ra quang electron Quangcatot được làm bằng vật liệu bán dẫn như là SbCs3 hoặc BiCs3, chúng có hiệu suấtquang điện cao khoảng 0.2 electron trên một phôton Ống nhân quang được thiết kếhội tụ và gia tốc quang electron sơ cấp thông qua bộ điện cực của máy nhân (cácđiôt) Mỗi điôt được duy trì ở một điện áp từ 75 đến 150V lớn hơn trước và đối vớimỗi electron phát ra từ quang catot phép nhân trung bình trên mỗi điôt là thừa sốcủa 4 Như vậy với 1 ống nhân quang 10 điôt, sự khuếch đại dòng của các quangelectron từ quang catot là khoảng (4)10 hoặc khoảng 106 Dòng ra tại anot lưu thôngqua một điện trở tải RL, nó tạo ra điện áp âm giảm xung trình bày ở hình 5.6 Xungnày được ghép cặp thông qua sự cản trở của tụ điện C tới điện cực.

Hình 5.6: Sự hấp thụ tia Gamma trong Detector nhấp nháy

dẫn đến điện áp tăng với tỷ lệ năng lượng tới

5.3.b Detector Nhấp Nháy NaI (Tl)

Hầu hết các chất vô cơ được dùng làm chất nhấp nháy cho đo lường bức xạ tia

x và bức xạ gamma có hợp chất halogen kiềm Hỗn hợp phổ biến nhất, có giá trịkinh tế cao với nhiều hình dạng và kích thước, đó là tinh thể NaI hoạt động vớikhoảng 0.1% thalium Thalium được thêm vào dưới dạng ion thallous(Tl+) làm tănghiệu suất nhấp nháy ở nhiệt độ phòng và di chuyển với bước sóng của các photonphát quang khoảng 4200 0

A, thích hợp với sự phản hồi của bộ nhân quang chuẩn.CsI thỉnh thoảng được dùng với mục đích đặc biệt NaI(Tl) có vài thuộc tính cầnchú ý Tinh thể có mật độ cao (3.67 g/cm3) cho việc hấp thụ tốt bức xạ gamma Iotcung cấp số nguyên tử cao cho hiệu suất đầu ra của ánh sáng trên một đơn vị củahấp thụ bức xạ gamma Hệ số suy giảm gamma cho NaI được trình bày ở hình 5.7

Hệ số suy giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nêncân bằng tại năng lượng 0.3 MeV và tạo ra hiệu ứng cặp không quan trọng cho tiagamma với năng lượng nhỏ hơn 2 MeV NaI(Tl) có thể dần dần thành các tinh thểlớn (> đường kính 8 in) và rất trong suốt với ánh sáng huỳnh quang của chính nó.Những tinh thể này có thêm một thuận lợi thời gian phân rã phát quang rất ngắn(~0.25 μsec), nó cho phép đếm được những mẫu hoạt động mạnh với thời gian chếtnhỏ bỏ qua

NaI thì hút ẩm (nó có thể hấp thụ hơi nước từ không khí) và vì vậy tinh thể (và

bề mặt phản xạ ánh sáng) phải được bọc kín trong một bình kín với cặp kính quangtạo thành ống nhân quang hạn chế quan trọng khác trong việc chuẩn bị lắp ráp hệthống tinh thể pin quang điện là tránh kali, nó chứa đồng vị phóng xạ K-40 tạo ra tựnhiên và các nguyên tố phóng xạ khác trong bất cứ vật liệu xây dựng nào dẫn đếnlàm giảm phông đầu dò

Tương tác của tia gamma với vật chất được cho trong phần 4.3.3 nó đòi hỏiphải có sự kết hợp giữa hiệu ứng quang điện với tán xạ Compton và (cho tia gamma

có E > 1.02 MeV) hiệu ứng tạo cặp Hệ số suy giảm này do tương tác của tinh thểnhấp nháy NaI(Tl) được trình bày ở hình 5.7 Một nguồn của tia gamma tạo ra trongtinh thể NaI một phổ năng lượng giảm theo từng tương tác của tia gamma và tinhthể; ví dụ như một nguồn 85

Sr với E=0.514 MeV sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện vàCompton với một (hệ số truyền) khoảng 1 tới 6 trong một hệ thống detector nhấpnháy NaI (Tl) “lý tưởng”, theo hình 5.7 Lý thuyết phổ gamma thu được trong mộtdetector “lý tưởng” được trình bày trong hình 5.8; hàm delta ở mức Eo = 0.514 MeVtương ứng với sự hấp thụ toàn bộ tia gamma và hàm liên tục của mức năng lượngtương ứng với tán xạ Compton từ bờ Compton (đưa ra bởi 4.46) đến mức tối thiểu

có thể nhận ra Thực tế quang phổ thu được trong một detector nhấp nháy NaI “lýtưởng” cũng được trình bày trong hình 5.8 Sự mở rộng đỉnh quang phổ là do cả haidao động trong đầu ra tia sáng từ chất nhấp nháy và số quang điện tử ở mỗi điôttrong ống nhân quang Biên độ của đỉnh quang phổ cũng tăng phần nào bởi xác suấtmột compton tán xạ tia gamma có thể phát ra thêm một vài tán xạ compton dẫn đến

sự hấp thụ toàn bộ năng lượng tia gamma Như vậy, độ rộng đỉnh toàn phần có thể

Hình 5.7 Hệ số suy giảm do NaI là một hàm năng lượng tia Gamma

tăng khi kích thước của detector tăng bởi vì khả năng tăng do các biến cố tăng cácđặc trưng khác của quang phổ tia gamma được nghiên cứu trong phần 6.3.3.

Đặc trưng của hệ thống máy dò nhấp nháy được xác định bởi một vài thông số:

1 Hiệu suất dò tìm

2 Đường thể hiện chiều cao xung với năng lượng gamma tới

3 Độ phân giải của hệ thống detector- pin quang điện

4 Phông của hệ thống

Hiệu suất nhấp nháy (nghĩa là tỷ số năng lượng photon phát ra so với nănglượng bức xạ tới) của NaI(Tl) là lớn nhất trong hợp chất halogen photpho kiềmkhoảng 12% và khoảng 2 lần hiệu suất của antraxen, một chất nhấp nháy hữu cơ tốt.Hiệu suất đầu dò của một detector nhấp nháy (nghĩa là tỷ số của tốc độ đếm so vớitốc độ phân rã của một nguồn phóng xạ) phụ thuộc vào kích thước và hình dạng củatinh thể và dạng hình học của nguồn Detector NaI thương mại được chọn với nhiều

Hình 5.8 Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự

tương tác compton và quang điện trong Detector NaI

kích thước, phần lớn là dạng hình trụ gắn liền với ống nhân quang Nhiều hệ thống

đã dùng để ghi nhận các hạt nhân phóng xạ phát tia gamma có tinh thể loại tốt, đặttrong nó những cái lọ nhỏ chứa các mẫu kích hoạt dưới dạng dung dịch hoặc chấtkết tủa có thể đưa được vào Một detector nhấp nháy chuẩn với mặt cắt có đườngkính là 3 in, sâu 3 in Detector NaI (Tl) được sử dụng đo quang phổ tia gammachuẩn được trình bày trong hình 5.9 Một detector tốt đôi khi thuận lợi hơn trongphân tích kích hoạt, đặc biệt khi dùng kết hợp với những máy tách hóa học phóngxạ

Độ phân giải của một hệ thống detector là một tiêu chuẩn để đánh giá khảnăng của hệ thống detector để tạo ra chỉ một giá trị xung cao cho bức xạ đơn nănghấp thụ hoàn toàn trong detector Độ phân giải hoặc bề rộng đường theo phần trăm,

w1/2, được xác định là bề rộng của đỉnh năng lượng toàn phần tại nửa đỉnh cực đại

trong đó: EΦ - giá trị năng lượng gamma toàn phần (chiều cao xung cực đại)

∆E là khoảng năng lượng (độ cao xung) cho bề rộng toàn phần tại vị trínửa đỉnh cực đại (FWHM)

Giá trị của ∆E và EΦ cả hai có thể được biểu diễn theo năng lượng hoặc điện

áp khi phân nhỏ tia gamma tới, các tia này sẽ được hấp thụ hoàn toàn trong mộtdetector có kích thước cụ thể suy giảm theo năng lượng tia gamma, độ phân giảicững thay đổi theo năng lượng tia gamma Như vậy giá trị độ phân giải của mộtdetector phải xác định theo năng lượng tia gamma riêng biệt Tia gamma có nănglượng 0.662MeV của 30-y 137Cs thường được sử dụng để đo độ phân giải củadetector nhấp nháy NaI(Tl) Giá trị độ phân giải của Cs-137 thường thay đổi từ 7 tới9% đối với các detector tinh thể phẳng và từ 10 đến 12% đối với các detector tinhthể tốt